4 th Summer School on Sustainable Energy Management Systems (SEMS) Photovoltaik Dr. Michael Stöhr, B.A.U.M. Consult GmbH Słubice, 28. April 2011
Inhalt der Vorlesung 1. Komponenten von PV Systemen 2. Einsatz von PV Systemen 3. Technologie- und Marktentwicklung
Teil 1 KOMPONENTEN VON PV SYSTEMEN
Silizium - zweithäufigstes Element der Erdkruste Bildquelle: Wikipedia, Polykristalines_Silizium.jpg, created by user Stahlkocher
Silizium-PV-Zelle Bildquellen: Wikipedia - Solar cell.png, created by user Tdangkhoa - Silicon Solar cell structure and mechanism.svg, created by user Cyferz - 4inch poly solar cell.jpg, created by user Rogilbert
Ausnutzung des Sonnenlichts durch Si Bildquelle: Wikipedia, Solarzelle_SiSpektrum.svg, created by user Hokanomono
Ausnutzung des Sonnenlichts durch GaSb Bildquelle: Wikipedia, Solarzelle_GaSbSpektrum.svg, created by user Hokanomono
Optionen der Effizienzsteigerung g Verringerung von Reflexionsverlusten durch Oberflächenstrukturierung Höhere Quanten-Ausbeute durch Materialdesign: dünnere Kontaktfinger auf Oberfläche, Kombination verschiedener Halbleiter, Nano-Strukturierung, etc. Höhere Lichtkonzentration Kühlung Last but not least: Effizienz ist nicht alles, letztlich entscheiden die Stromgestehungskosten
Maximale Effizienz von PV-Zellen Materiallagen Optimale Bandlücke 1 Optimale Bandlücke 2 Optimale Bandlücke 3 η max 1 1,1 ev - - 31% 2 094eV 0,94 164eV 1,64-44% 3 0,71 ev 1,16 ev 1,83 ev 48% 86% Quelle: z.b. Wikipedia (eng), Quantum dot solar cell Silizium i hat eine Bandlücke von 1,1515 ev!
Quantenpunktsolarzellen IR-Strahlung nutzbar Bandlücke variierbar Ähnlich einfach herzustellen wie Si- Zellen Sehr hohe Wirkungsgrade möglich η = 40% im Labor schon erreicht (Quelle nicht verifiziert) Quelle: Wikipedia (eng), Quantum dot solar cell; Sargent Group quantum dot solar cell.jpg, created by user Lukasz Brzozowski
Konzentrator- zellen Weniger teures Halbleitermaterial Höherer Wirkungsgrad wegen höherer Beleuchtungsstärke Meist kombiniert mit hocheffizienten Stapel- PV-Zellen Erfordert direktes Sonnenlicht! Bildquelle: Wikipedia, Konzentratorzelle.svg, created by user DonatelloXX
Farbstoffmodule Sehr günstig aus organischen Materialien herzustellen Noch geringe Wirkungsgrade Noch Probleme mit Langzeitstabilität Quelle: Wikipedia, Dye.sensitized.solar.cells.jpg, up-load by Ronald Sastrawan, ISE
Strom-Spannungskennlinie einer PV-Zelle Bildquelle: Wikipedia, Standard_iv_de.svg, created by user Uwezi
Wechselrichter: Das Gehirn der PV-Anlage Bild: M. Stöhr Aufgaben des Wechselrichters: Steuerung der Modulstränge in den Punkt maximaler Leistung (MPP) Umwandlung der schwankenden Gleichspannung in Wechselspan- nung mit konstant 240 V und 50 Hz Anlagenüberwachung und Drosselung oder Notabschaltung Datenmonitoring Neu: Bereitstellung von Blindleistung, Fernsteuerbarkeit
Netzgekoppelte PV-Anlage Bildquelle: Wikipedia, Pvanlage2.jpg, created by user Sebastian Haut
Teil 2 EINSATZ VON PV SYSTEMEN
Erster Einsatz von PV: Satellit Vanguard 1958 Bildquelle: Wikipedia, Vanguard_1.jpg, created by user Reubenbarton
Internationale Raumstation Bildquelle: Wikipedia, ISSpoststs130.jpg, created by NASA
PV-Kleinanwendungen Bildquelle: Wikipedia - Parking-meter hannover 20050625 111.jpg, created by user Georg Slickers
Bildquelle: Wikipedia, Gleisdorf.Solarbaum.jpg, Anna Regelsberger Solarkunst
PV-Blendschutz Bildquelle: e Wikipedia, SolarPanel-07.jpg, a created ed by user Rama a
Solar Fensterläden Solarzentrum Mecklenburg-Vorpommern; Design: Astrid Schneider; Bild: M. Stöhr,
Flachdachmontage SOLNA-Solare Nachbarn Riem GbR; Bild: M. Stöhr,
Dachmontierte PV-Anlagen Bildquelle: e Wikipedia, Genezareth e e Church Solar-Apel.JPG, created ed by user Denis Apel (Stardado)
Dachintegrierte PV-Anlagen Bildquelle: e http://www.energienetz.ch/solargebaeude/text/sg/sg e e e /so gebaeude/ e /SG/SG_ index.html, Mehrfamilienhaus e aus Dollinger Oberdorf
Fassadenintegrierte PV-Anlagen Bildquelle: http://www.energienetz.ch/solargebaeude/text/sg/sg_index.html, index.html, Einfamilienhaus Pree Luftenberg
Freiflächenanlagen Bildquelle: Wikipedia, Solarpark Koenigsbrueck3.jpg, created by user Brücke-Osteuropa
Nachgeführte PV-Anlagen Bildquelle: Wikipedia, Photovoltaik adlershof.jpg, created by user Pikarl
Große PV-Kraftwerke Energiepark Waldpolenz auf einem ehemaligen Militärflughafen in den Gemeinden Bennewitz und Brandis (bei Leipzig), 40 MW, 130 Mio. Investitionsvolumen Amareleia (Moura, Portugal), 46 MW, 261 Mio. Investitionsvolumen Quellen: www.solarserver.de, www.acciona-energia.com
Teil 3 TECHNOLOGIE- UND MARKTENTWICKLUNG
PV Weltmarkt 2010: 18,2 GWp Quelle: http://www.photovoltaik.eu/nachrichten/details/beitrag/2010-weiteres-photovoltaik-rekordjahr_100004831/
PV Weltmarkt 2010: 3 AKW eq Neu installierte Leistung: 18,2 GWp Energieerzeugung: E Jahr,PV = P peak T Volllast bei T Volllast,PV = 1.250 h: E = 22,75 TWh Entspricht E Jahr,AKW von ca. 3 AKW mit T Volllast,AKW = 7.500 h D.h. 2010 wurden ca. 3 AKW durch neue PV-Anlagen ersetzt tt
Ertrag von PV-Anlagen Land Ertrag in kwh/kwp Süddeutschland 900 1130 Schweiz, Mittelland 1050 1200 Alpen 1400 1600 Italien, Sizilienili 1800 Südspanien 1800 China, Takla Makan 1840 USA, Great Basin 1930 Spanien, Kanaren 2000 USA, Hawaii 2100 Afrika, Sahara 2270 Australien, Great Sandy 2320 Naher Osten, Arabien 2360 Südamerika, Atacamawüste 2410 Quelle: Wikipedia, Artikel Photovoltaik
PV Installationsentwicklung: Deutschland Jahr 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2000 20102010 Erzeugung [GWh] 64 116 188 313 557 1.282 2.220 3.075 4.000 6.200 12.000 inst. Leistung [MWp] 100 178 258 408 1.018 1.881 2.711 3.811 5.311 9.800 16.914 Erzeugungswachstum 81% 62% 66% 78% 130% 73% 39% 30% 55% 94% 69% Leistungswachstum 78% 45% 58% 150% 85% 44% 41% 39% 85% 73% 67% Erzeugte Energie wächst etwas schneller als installierte Leistung wegen besserer Neuanlagen Bei Fortsetzung dieses Wachstums decken im Jahr 2018 PV-Anlagen 100% des Strombedarf Deutschlands Die Solarbranche verspricht 10% Beitrag der PV 2020, das entspricht nur 16% jährliches Wachstum 2010-2020
http://www.sma.de/de/news-infos/pv-leistung-in-deutschland.html html
Modulpreise 2009-2011 Entwicklung der Modulpreise in /Wp Modultyp Kristallin Dünnschicht Herkunft/ Deutschland CdTE CdS/ China Japan Typ a Si µ Si Jan 09 319 3,19 295 2,95 316 3,16 21 2,1 221 2,21 Jul 09 2,39 1,92 2,21 1,55 1,73 Jan 10 2,03 1,55 1,91 1,61 1,38 Jul 10 1,86 1,62 1,85 1,61 1,31 Jan 11 1,71 1,47 1,63 1,25 1,08 1,26 Feb 11 167 1,67 141 1,41 161 1,61 122 1,22 108 1,08 123 1,23 Preisverfall 01.2009 02.20112011 47,6 % 52,22 % 49,1 % 41,9 % 44,3 % Quelle: Solarserver, PVX Spotmarkt Preisindex Solarmodule, http://www.solarserver.de/service-tools/photovoltaik-preisindex.html
Der Motor der Entwicklung: EEG Die rasante Entwicklung der PV setzte im April 2000 mit dem deutschen Erneuerbare-Energien-Gesetz Energien (EEG) ein; dem ging die kostengerechte Vergütung (KgV) von Solarstrom in zahlreichen Kommunen voraus. Die Idee der KgV, die dem EEG zugrunde liegt ist: Der Netzbetreiber muss per Gesetz den erzeugten Solarstrom annehmen und zu einem Mindestpreis vergüten, so dass der Betrieb von PV-Anlagen rentabel wird. id Dadurch wird der Markt angekurbelt. Der Wettbewerb b zwischen verschiedenen Herstellern führt zur Preissenkung.
Grid parity Bezeichnet den Moment, in dem die Stromgestehungskosten einer neu installierten PV-Anlage den durchschnittlichen Haushaltsstromtarif unterschreiten Wurde erstmals 2007 für PV öffentlich diskutiert und damals für 2015 vorhergesagt g Aktuell geht die PV-Branche davon aus, dass Grid- Parity in Deutschland 2013 eintritt Dieser Erwartung entsprechen auch die Vergütungssätze im Erneuerbare-Energien-Gesetz. Nicht berücksichtigt sind dabei Kosten für Speicher und Netzregelungsmodule
Ist Klimaschutz mit PV wirtschaftlich? Kos sten de er Maß ßnahm men Zeit angestrebtes Emissionsniveau aktuelles Emissionsniveau Graphik erstellt in Anlehnung an Die grundsätzliche wirtschaftstheoretische Kritik am EEG greift zu kurz, Solarzeitalter 1/2010
Energierückzahlzeit von PV-Zellen Mono-kristalline Siliziumzellen: 5-7 Jahre Poly-kristalline Siliziumzellen: 3-5 Jahre Dünnschicht-Zellen: 1-2 Jahre Hängt stark vom tatsächlichen Ertrag ab Tendenz deutlich fallend mit verbesserten Produktionsprozessen Die technische Lebensdauer von PV-Zellen beträgt mindestens 30 Jahre! Quelle: zitiert auf Wikipedia: Colin Bankier and Steve Gale: Energy Payback of Roof Mounted Photovoltaic Cells. 2006
Flächenbedarf Um den weltweiten Gesamtenergiebedarf von ca. 130.000 TWh/a für Strom, Wärme und Treibstoff allein mit PV zu decken, wird eine Fläche von ca. 750.000 km 2 benötigt, das ist 0,5% der Landfläche Die Siedlungs- und Verkehrsfläche macht in Deutschland 12,5% der Bodenfläche aus Der deutsche Beitrag zu einer weltweiten Komplettversorgung aus PV entspräche also nur 4% der Siedlungs- und Verkehrsfläche, die mit PV- Modulen belegt werden müsste
Ausblick PV hat unter allen Technologien zur Nutzung Erneuerbarer Energien das größte Potenzial PV ist eine der am vielfältigsten einsetzbaren EE- Technologien Keine Grenzen wegen fehlendem Grundrohstoff (Sand!) Keine Grenzen durch Flächenmangel Die Stromgestehungskosten sind noch hoch, doch wird 2013 bereits der durchschnittliche Haushaltsstromtarif in Deutschland unterschritten Mittel- bis langfristig ist ein Überangebot von PV-Strom denkbar; mit PV-Anlagen kann dann maßgeblich das Stromnetz geregelt werden, da sie die am schnellsten steuerbaren Kraftwerken überhaupt sind